牛糞分離液與餐廚垃圾混合發(fā)酵試驗參數(shù)優(yōu)化

關(guān)正軍，楊一盈，孫先麗，張　旭（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱　150030）

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牛糞分離液與餐廚垃圾混合發(fā)酵試驗參數(shù)優(yōu)化

關(guān)正軍，楊一盈，孫先麗，張旭
（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱150030）

摘要：將牛糞固液分離處理，在分離液單獨發(fā)酵基礎(chǔ)上，添加不同比例餐廚垃圾連續(xù)發(fā)酵試驗，考查各比例混合物料在不同水力停留時間下發(fā)酵性能，優(yōu)化最佳配比、相應(yīng)發(fā)酵工藝條件和參數(shù)。研究確定牛糞分離液和餐廚垃圾混合發(fā)酵適宜配比為7∶3，HRT為25 d，獲得VS甲烷產(chǎn)率226.67 mL CH4·kg-1VS，容積產(chǎn)氣率1.20 L·L-1·d-1，VS去除率達到47.94%。

關(guān)鍵詞：優(yōu)化；混合；牛糞分離液；餐廚垃圾；厭氧發(fā)酵

關(guān)正軍,楊一盈,孫先麗,等.牛糞分離液與餐廚垃圾混合發(fā)酵試驗參數(shù)優(yōu)化[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2016, 47(2): 81-87.

Guan Zhengjun, Yang Yiying, Sun Xianli, et al. Optimize the test parameters on the co-digestion of separated liquids from dairy manure and food waste[J]. Journal of Northeast Agricultural University, 2016, 47(2): 81-87. (in Chinese with English abstract)

利用厭氧發(fā)酵技術(shù)可較好處理養(yǎng)殖場畜禽廢棄物，利用畜禽糞污，有效控制臭氣，防止蚊蠅和病菌傳播，避免地下水污染，集中處理高濃度污水[1-3]。在畜禽糞便中，牛糞粗纖維含量最高，中溫（35℃）條件下，與豬糞和雞糞相比，TS（Total solid）產(chǎn)氣率低，如除去牛糞中纖維部分，降低發(fā)酵液粘度，可提高發(fā)酵液中可發(fā)酵比例[4]。固液分離是一種物理預(yù)處理方法，使用物理手段將物料中固體與液體成分分離。對厭氧發(fā)酵原料預(yù)處理，降低原料中粗纖維含量，去除其中大量固形物，保留營養(yǎng)物質(zhì)。關(guān)正軍等研制固液分離設(shè)備，研究分離液厭氧發(fā)酵性能[5-7]。Kaparaju等對牛糞固液分離，研究不同體積顆粒發(fā)酵原料對VS產(chǎn)氣率影響，結(jié)果表明分離后牛糞中顆粒尺寸減小，可提高厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣效率[8]。

發(fā)酵原料是厭氧細菌營養(yǎng)來源，不同發(fā)酵原料理化性質(zhì)不同，導(dǎo)致適宜發(fā)酵工藝、時間和產(chǎn)氣情況不同。原料碳氮比、營養(yǎng)元素等化學(xué)性質(zhì)，料液黏度和濃度等物理因素、所含微生物種類、數(shù)量等生物特性均會影響厭氧發(fā)酵性能和系統(tǒng)穩(wěn)定性。早期沼氣發(fā)酵技術(shù)原料單一，在微生物生長繁殖所需營養(yǎng)元素和資源合理利用方面均經(jīng)驗不足?；旌显蠀捬醢l(fā)酵是指將兩種或兩種以上發(fā)酵原料混合后于同一個厭氧反應(yīng)器發(fā)酵的方式。通常混合物料能互相調(diào)節(jié)C/N、酸堿度、緩沖能力等，且不會造成發(fā)酵抑制，提高發(fā)酵效率[9-10]?；旌习l(fā)酵可處理多種有機廢棄物，提高設(shè)備利用率，降低經(jīng)濟成本[11]。餐廚垃圾作為較為常見厭氧發(fā)酵原料，碳氮比均衡，是一種優(yōu)質(zhì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷原料，但極易酸化，不宜高濃度發(fā)酵。Wang等嘗試餐廚垃圾和雞糞間隔進料連續(xù)厭氧發(fā)酵研究，發(fā)酵系統(tǒng)穩(wěn)定運行并獲得更高VS甲烷產(chǎn)率和容積產(chǎn)氣率[12]。Callaghan等對牛糞與蔬菜廢棄物混合發(fā)酵，發(fā)現(xiàn)蔬菜廢棄物比例超過30%后揮發(fā)酸劇增[13]，因此，餐廚垃圾比例不宜過高。Mara?ón等對牛糞與餐廚垃圾混合厭氧發(fā)酵，結(jié)果表明混合發(fā)酵甲烷產(chǎn)率提高，可避免揮發(fā)性有機酸積累和氨氮抑制[14]。由此可見，牛糞固液分離后更適于厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣；添加一定量餐廚垃圾可增加底物濃度，提高甲烷產(chǎn)氣效率。

本試驗將牛糞固液分離后液體與餐廚垃圾混合發(fā)酵，提高牛糞分離液發(fā)酵效率?？疾槿债a(chǎn)氣量、甲烷含量、pH、VS甲烷產(chǎn)率、VS去除率和容積產(chǎn)氣率，確定牛糞分離液與餐廚垃圾適宜配比和水力停留時間。

1　材料與方法

1.1原料收集及預(yù)處理

試驗用新鮮牛糞取自東北農(nóng)業(yè)大學(xué)香坊實驗實習(xí)基地；餐廚垃圾取自東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)生餐廳，主要成分包括面食、米飯、蔬菜和肉類等常見食物（見表1）。試驗用接種物取自東北農(nóng)業(yè)大學(xué)生物質(zhì)能工程技術(shù)研發(fā)中心中試車間產(chǎn)甲烷反應(yīng)器發(fā)酵后料液，該反應(yīng)器水力停留時間、運行溫度、pH及總固體濃度分別為20 d、35℃、7.45和62.5 kg·L-1。

新鮮牛糞按2∶1（質(zhì)量比）加水稀釋后采用實驗室研制固液分離機固液分離，所得液體為牛糞分離液。餐廚垃圾預(yù)處理，首先挑揀出不可生物降解成分，如塑料袋、紙杯、牙簽、骨頭、紙巾等雜物，用食物粉碎機粉碎均質(zhì)、分裝。試驗用新鮮牛糞、牛糞分離液和餐廚垃圾均裝于夾鏈密封袋中-40℃冰柜中冷藏，使用前于4℃冷柜中解凍備用。

1.2試驗裝置

試驗采用自制厭氧發(fā)酵反應(yīng)器（見圖1），以帶上下出口1 000 mL具塞錐形瓶為主體反應(yīng)器，玻璃膠粘合橡膠塞封口。打孔裝置在橡膠塞中部鉆兩個圓孔，一個連接玻璃三通管作排氣口，另一個加裝10 mL去底離心管作進料口。三通管由橡膠管連接鋁塑復(fù)合膜集氣袋（1~2 L）收集氣體。厭氧發(fā)酵反應(yīng)器于恒溫水浴槽中水浴加熱，溫度控制在（35±2）℃。

表1沼氣發(fā)酵原料參數(shù)Table 1 Parameters table of raw materials

1.3試驗方法

在連續(xù)厭氧發(fā)酵過程中，當原料濃度固定時，調(diào)節(jié)厭氧發(fā)酵反應(yīng)器水力停留時間（HRT），相應(yīng)體系有機負荷改變。因此，連續(xù)厭氧發(fā)酵試驗過程中，為考查各個混合配比發(fā)酵物料產(chǎn)氣性能，同時考慮試驗連續(xù)性和穩(wěn)定性，選取5個HRT作為考查水平，分別是50、40、30、20和10 d，試驗運行穩(wěn)定后不斷降低水力停留時間，逐步加大有機負荷。每一負荷率下，當產(chǎn)氣量連續(xù)5 d波動小于10%時，即認為達到穩(wěn)定狀態(tài)，提高有機負荷率（或縮短水力停留時間）到另一水平繼續(xù)試驗。

每天進出料量可根據(jù)水力停留時間公式（1）進行換算：

式中，HRT-水力停留時間（d）；Ve-厭氧反應(yīng)器有效容積（m3）；γ-進料量（m3·d-1）。

本試驗為連續(xù)試驗，連續(xù)運行100 d。試驗采用中溫發(fā)酵（35±2）℃。試驗正常運行后，每天定時進出料一次，產(chǎn)生氣體由2 L鋁塑復(fù)合膜集氣袋（大連海得）收集，每24 h測量一次產(chǎn)氣量、氣體組分、出料TS、VS及pH。

圖1沼氣發(fā)酵試驗裝置Fig. 1 Tester of methane fermentation

1.3試驗儀器設(shè)備

螺旋壓榨固液分離機（研制[實用新型專利號：ZL201520170947.7]）；101-1型電熱鼓風(fēng)干燥箱（天津市泰斯特儀器有限公司）；RJM-28-10型茂福爐（沈陽市節(jié)能電爐廠）；Fibertec1020型纖維分析儀（丹麥FOSS公司）；NDJ-9S數(shù)顯粘度計（上海天平儀器廠）；LiquiTOC分析儀（德國Elementar公司）；GC6890氣相色譜儀（美國Agilent公司）；PHSJ-3F 型pH計（上海雷磁儀器有限公司）。

2結(jié)果與分析

2.1不同配比物料日產(chǎn)氣量和甲烷含量隨HRT變化

不同配比混合物料連續(xù)厭氧發(fā)酵過程中日產(chǎn)氣量隨HRT變化情況如圖2（A）所示。由此可知，4組試驗隨HRT降低，有機負荷持續(xù)加大，日產(chǎn)氣量整體呈上升趨勢。表明在特定原料厭氧發(fā)酵過程中，縮短HRT，即增加有機負荷，一定程度上可提高產(chǎn)氣量。原因可能是以牛糞分離液為主發(fā)酵體系中添加部分餐廚垃圾，由于分離液稀釋，發(fā)酵體系更加穩(wěn)定，不易酸化，餐廚垃圾更易被微生物降解，產(chǎn)氣量增加。

由圖2（B）可知，10∶0和9∶1試驗組甲烷含量基本在55%左右，8∶2組甲烷含量58%，而7∶3組甲烷含量在HRT下降為40 d后基本均60%以上。牛糞分離液和餐廚垃圾混合發(fā)酵組甲烷含量均高于牛糞分離液單獨發(fā)酵，隨餐廚垃圾比例升高，甲烷含量升高，以7∶3組最明顯。

2.2不同配比物料pH和VS甲烷產(chǎn)率隨HRT變化

在厭氧發(fā)酵過程中，水解菌和產(chǎn)酸菌對pH適應(yīng)范圍較大，pH 5.0~8.5范圍內(nèi)大多數(shù)水解產(chǎn)酸菌良好生長，而適宜產(chǎn)甲烷菌生長繁殖pH條件為中性或偏堿性，通?？刂圃?.5~7.8。環(huán)境pH偏低或偏高抑制甲烷菌活性，降低產(chǎn)氣量。

由圖3（A）可知，在整個厭氧發(fā)酵過程中，不同配比四組試驗pH隨著水力停留時間縮短變化趨勢相似，整體呈小幅波動上升，但變化范圍不大，控制在7.2~7.5，對產(chǎn)甲烷菌活性無顯著影響。比較四組試驗pH可發(fā)現(xiàn)，添加餐廚垃圾組pH較純牛糞分離液組偏高，原因是餐廚垃圾中含有大量蛋白質(zhì)等含氮有機物，有機物分解后產(chǎn)生銨鹽，隨銨鹽累積以及CO2產(chǎn)生，體系pH輕微上升，但從整體變化趨勢可知，四組試驗在發(fā)酵過程中均存在pH階段性降低和升高，但未表現(xiàn)出酸化和氨氮抑制現(xiàn)象，說明發(fā)酵系統(tǒng)緩沖能力較強，運行穩(wěn)定，適于連續(xù)運行。

VS甲烷產(chǎn)率越大說明原料轉(zhuǎn)化為甲烷效率越高?；旌吓浔葹?0∶0、9∶1、8∶2和7∶3四組混合物料連續(xù)厭氧發(fā)酵過程中VS甲烷產(chǎn)率隨HRT變化情況見圖3（B）。將不同配比料液在各個HRT下VS甲烷產(chǎn)率取平均值如表2所示。

圖2日產(chǎn)氣量和甲烷百分含量隨HRT變化狀況Fig. 2 Variation of daily biogas production and methane content with the change of HRT

圖3 pH和VS甲烷產(chǎn)率隨HRT變化Fig. 3 Variation of pH and VS methane yield with the change of HRT

表2 VS甲烷產(chǎn)率平均值隨HRT變化Table 2 Variation of VS methane averaged yield with the charge of HRT

對比四組試驗可見，相同HRT條件下，不同配比物料VS甲烷產(chǎn)率差異顯著，產(chǎn)甲烷能力7∶3組高于8∶2組高于9∶1組高于10∶0組。表明VS甲烷產(chǎn)率隨餐廚垃圾配比升高而升高，這是由于在相同厭氧發(fā)酵條件下，餐廚垃圾更易于被微生物分解利用，產(chǎn)甲烷能力高于牛糞分離液。10∶0 和9∶1配比反應(yīng)器在HRT降低至20 d后VS甲烷產(chǎn)率出現(xiàn)大幅下降，分別下降21.4%和18.4%，8∶2 和7∶3配比反應(yīng)器在HRT將至10 d后VS甲烷產(chǎn)率才出現(xiàn)大幅度下降，分別下降25.5%和16.1%。從圖3（B）可見，HRT降低后，系統(tǒng)VS甲烷產(chǎn)率出現(xiàn)不同幅度突降，最終恢復(fù)平穩(wěn)運行?？芍?，在試驗設(shè)定范圍內(nèi)，隨著餐廚垃圾比例增加，系統(tǒng)VS甲烷產(chǎn)率更高，緩沖能力更強，運行穩(wěn)定性更好。

2.3不同配比物料VS去除率和容積產(chǎn)氣率隨HRT變化

VS去除率又稱有機物降解率，是衡量厭氧消化系統(tǒng)中有機廢棄物去除程度一項重要指標。VS去除率計算公式如下：

VS去除率（%）=（每天進料VS總量-每天出料中VS總量）/每天進料VS總量×100%（2）

由圖4（A）可知，對比不同配比四組物料在連續(xù)厭氧發(fā)酵過程中VS去除率隨HRT變化情況可見，在相同HRT條件下，7∶3組VS去除率最高，其次是8∶2組和9∶1組，VS去除率最低是10∶0全牛糞分離液組，隨餐廚垃圾比例增加，體系VS去除率提高，這是因為與牛糞分離液相比，餐廚垃圾更易被降解。就每一個反應(yīng)器而言，在較低有機負荷下，有機物分解越充分，隨有機負荷不斷增加，VS去除率在維持一段時間穩(wěn)定之后出現(xiàn)降低，且HRT越短，VS去除率越低。原因是隨HRT不斷降低，系統(tǒng)有機負荷不斷加大，出料量增大，大量產(chǎn)酸產(chǎn)甲烷菌被沖出。

從圖4（B）不同配比物料容積產(chǎn)氣率隨HRT變化可知，容積產(chǎn)氣率最高是7∶3組，其次是8∶2和9∶1組，全牛糞分離液組容積產(chǎn)氣率最低。結(jié)果表明，在連續(xù)發(fā)酵過程中，容積產(chǎn)氣率高低與產(chǎn)氣量高低保持一致，與添加餐廚垃圾比例密切相關(guān)。就特定混合物料連續(xù)厭氧發(fā)酵過程而言，隨HRT不斷降低，反應(yīng)器容積產(chǎn)氣率呈不斷上升趨勢，變化幅度最大是7∶3組，其次是8∶2組，上升幅度最小是全牛糞分離液組。

2.4參數(shù)優(yōu)化

分析牛糞分離液和餐廚垃圾不同配比混合物料連續(xù)厭氧發(fā)酵效果可知，牛糞分離液與餐廚垃圾混合配比為7∶3（以干物質(zhì)計）時發(fā)酵效果最好，在相同HRT下，日產(chǎn)氣量、甲烷含量、VS甲烷產(chǎn)率、VS去除率和容積產(chǎn)氣率均優(yōu)于其他配比。因此，選取牛糞分離液與餐廚垃圾7∶3配比混合物料進一步優(yōu)化。結(jié)果見表3。

綜合考慮VS甲烷產(chǎn)率、VS降解率和容積產(chǎn)氣率等因素，當水力停留時間低于20 d后，容積產(chǎn)氣率明顯升高，而VS去除率明顯降低。VS甲烷產(chǎn)率高峰出現(xiàn)在HRT為30 d時。即認為較優(yōu)HRT應(yīng)處于30和20 d之間。取HRT為25 d進行試驗驗證。結(jié)果為有機負荷3.08 gVS·L-1·d-1，日產(chǎn)氣量812.5 mL，VS甲烷產(chǎn)率226.67 mLCH4·kg-1VS，容積產(chǎn)氣率1.20 L·L-1·d-1，VS去除率47.97%。

確定牛糞分離液和餐廚垃圾7∶3混合物料在HRT為25 d左右時為較優(yōu)發(fā)酵參數(shù)，具體HRT有待進一步驗證。

圖4 VS去除率和容積產(chǎn)氣率隨HRT變化狀況Fig. 4 Variation of VS reduction rate and volumetric biogas production rate with the change of HRT

表3不同HRT下厭氧發(fā)酵參數(shù)Table 3 Performance parameters of different HRTs

3結(jié)論

為改善厭氧發(fā)酵性能，在牛糞分離液單獨發(fā)酵基礎(chǔ)上，添加不同比例餐廚垃圾連續(xù)厭氧發(fā)酵，考查各比例混合物料不同水力停留時間下發(fā)酵性能。研究發(fā)現(xiàn)，混合原料發(fā)酵性能明顯優(yōu)于牛糞分離液單獨發(fā)酵。綜合考慮VS甲烷產(chǎn)率，容積產(chǎn)氣率和VS去除率等因素，確定牛糞分離液和餐廚垃圾混合發(fā)酵最佳配比為7∶3，HRT應(yīng)介于30 d和20 d之間取HRT為25 d進行試驗驗證，發(fā)酵過程中獲得VS甲烷產(chǎn)率226.67 mL CH4·kg-1VS，容積產(chǎn)氣率1.20 L·L-1·d-1，VS去除率達47.94%，此時VS甲烷產(chǎn)率、VS去除率較高，可獲得較理想容積產(chǎn)氣率，因此確定牛糞分離液和餐廚垃圾7∶3混合物料在HRT為25 d左右時為較優(yōu)發(fā)酵參數(shù)。

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Optimize the test parameters on the co-digestion of separated liquids from dairy manure and food waste

GUAN Zhengjun, YANG Yiying, SUN Xianli, ZHANG Xu (School of Engineering, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China)

Abstract:The paper solid and liquid of dairy manure were firstly separated, and then the separated liquids were mixed with food wastes in different ratios to co-digest in a continuous anaerobic digestion process. A series of experimental parameters including the VS methane yield, the volumetric biogas production rate and the VS reduction rate were appraised. Meanwhile, the optimal mixing ratio of dairy manure and food waste as well as HRT were investigated. The results indicated that the ratio of the separated liquids to food wastes was 7：3 and the HRT was set as 25d. Under the optimal mixing ratio and HRT, the VS methane yield was 226.67 mL CH4·kg-1VS, the volumetric biogas production rate was 1.20 L·L-1·d-1and the VS reduction rate was 47.94%.

Key words:optimize, mix liquids separated from dairy manure, food waste, anaerobicfermentation

作者簡介：關(guān)正軍（1970-），男，教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向為生物質(zhì)能源。E-mail: zhjguan@163. com

基金項目：國家國際科技合作專項（2013DFG62260）

收稿日期：2015-10-09

中圖分類號：S216.4

文獻標志碼：A

文章編號：1005-9369（2016）02-0081-07